中国粉体网讯 近年来，随着新能源和新材料等战略性新兴产业不断发展，高纯石英引起了人们的极大关注。由于高纯石英纯度高（SiO2含量>99.9%），需要测试的元素种类较多，常用的分析化学法和Ｘ射线荧光光谱法(XRF)均难以达到要求。目前普遍采用的测试方法是电感耦合等离子体发射光谱法(ICP-OES)，该方法具有灵敏度高、精确度好、基体效应小、选择性高、标准曲线线性范围宽等优点，对金属元素具有良好的检出限，可以在短时间内对数种元素同时进行测定。
ICP-OES（图源：中科院过程工程研究所）
但是，目前用ICP检测美国尤尼明公司产品的杂质含量比该公司在文献上公布的最大杂质含量(31.1×10-6)数据大多偏高，表明目前我国在低杂质检测技术上尚存在一些问题。据成都理工大学汪灵教授分析认为，在ICP检测中，由于杂质含量很低，加之石英的难溶性，样品重量、制样方法、试剂纯度和浓度以及测试条件等都可以成为影响检测结果的重要因素。因此，开展高纯石英产品质量检测技术研究，建立相应的质量检测标准，是我国高纯石英技术发展的基本保障之一。
高纯石英质量检测的理论认识
汪灵教授课题组采用以四川脉石英为原矿加工而成的4N高纯石英，系统研究了检测样品消解和溶矿过程中，试样重量、试剂组合、试剂用量、试剂纯度等各种因素与ICP检测效果的关系，取得了以下理论认识：
(1)高纯石英质量的ICP检测技术包括试样制备和仪器检测两大部分，其技术关键是试样的消解和溶矿制备。因为，通过实验证明，在试样制备过程中，所采用的试样重量、试剂组合、试剂用量、试剂纯度等与ICP检测效果的关系明显，并对检测结果产生重要的影响。
(2)试样消解和溶矿制备的优化条件是：高纯石英用量≥2000mg；试剂纯度为高纯级(MOS或BV-Ⅲ)，试剂组合为HF+HNO3；浓HNO3分3次使用，总用量≥5mL；HF用量为25mL。
(3)根据高纯石英砂加工工艺特点和对纯度要求，在整个试样制备过程中，都不能采用钢筛，以避免产生铁质污染。另外，在超净实验室条件下进行高纯石英试样消解和溶矿制备，将有利于避免空气杂质污染、减少检测误差。
石英微量杂质测定方法
在高纯石英的制备过程中，通过对石英中各微量元素的检测来分析石英的纯度。目前，常用的测量方法有激光刻蚀—电感耦合等离子体—质谱法（LA-ICP-MS）和电子显微探针测量法（EMPA）等。
激光刻蚀—电感耦合等离子体—质谱法（LA-ICP-MS）
LA-ICP-MS是一种高灵敏度的元素分析仪器，可用于一个或多个元素的定性定量分析。它可以在0.1～10μm/mL的范围内有效测量范围达6个数量级，并且每种元素测定时间非常短，非常适合多种元素的同时测定。
在ICP-MC系统中，ICP作为离子源，使样品中的各元素大都电离出一个电子从而得到了一价正离子。质谱作为分析器，通过选择不同质核比（m/z）的离子，检测该离子的强度，经过计算得到最终的元素含量。在LA-ICP-MS检测中，要控制激光的能量与波长，否则会将石英破碎。这种测量手段还有一个缺点是空间分辨率较低，容易被多种元素引发干扰。
电子显微探针测量法（EPMA）
电子探针是目前最适合分析石英微量元素的原位微束分析技术，具有最高的空间分辨率(几微米)，采样体积最小，能够实现高准确度无损分析，即便是在如加大加速电压及束流的特殊测试条件下，其对石英样品的损伤也是微不足道的。此外，也已建立该技术的数据简化程序和定量校准方法，可以最大程度获取石英中具有重要指示意义的Ti和Al的高精度成分信息。
EPMA（图源：中国科学院矿物学与成矿学重点实验室）
其缺点是检测限较高，在常规测试条件下，主量元素分析精度约1%～2%(相对误差)，检测限为100×10-6级。在特殊测试条件下，部分元素的检测限可以降至10×10-6级，但都存在分析时间较长的缺陷，导致分析效率降低。当元素含量为100×10-6级及以下时，测试数据的准确度及精确度有待提高；另外，受操作运行条件、本底含量以及背景扣除方式影响较大，通常只能分析原子量相对较大(Na及以上的)且含量较高的Al、K、Ti、Fe和Na等元素。
辉光放电质谱法(GDMS)
辉光放电质谱法(GDMS)作为一种固体分析检测技术，和ICP-MS相比，避免了样品的消解过程，具有较高的灵敏度、分辨率和极宽的线性动态范围，可以一次性测定从超痕量到主体含量的杂质元素。由于辉光放电质谱仪的原子化和离子化是在不同区域进行的，因此受基体的影响较小，目前已经在超纯固体材料检测中得到了非常广泛的应用。
GDMS（图源：中国科学院福建物质结构研究所）
谭秀珍等采用锗罩作为二次阴极，建立了直流辉光放电质谱法(dc-GDMS)测定高纯石英中锂、铍、硼、钠、镁、铝、硫、钛、铜等９种杂质元素的方法。所用锗罩的厚度为0.25mm，罩上有4个尺寸为1mm×8mm的狭缝，每个狭缝间隔1mm。实验还考察了放电参数对基体信号强度、信号稳定性、基体和锗罩信号比的影响。实验表明，当在1.3mA/1350V的放电参数下，28Si的信号强度可达1.3×109cps，放电稳定，硅、锗的信号比为1∶40。按照实验方法测定高纯石英样品中锂、铍、硼、钠、镁、铝、硫、钛、铜，结果的相对标准偏差(RSD,n=5)均在30%以内；还对比了锗罩、钽罩对高纯石英测定结果的影响，结果表明，由于钽罩中铜含量较大，导致铜测定结果差异较大以外，其余元素测定结果基本一致。采用锗罩测定高纯石英中杂质元素的检出限可达ng/g级别，低于采用钽罩的检出限。
参考资料：
汪灵等：我国高纯石英加工技术现状与发展建议，成都理工大学
汪灵等：中国高纯石英技术现状与发展前景，成都理工大学
庞庆乐等：高纯石英的加工技术及应用，齐鲁工业大学
王云月等：高纯石英原料特征和矿床成因研究现状综述，合肥工业大学
谭秀珍等：锗二次阴极-直流辉光放电质谱法测定高纯石英中９种杂质元素，国家稀散金属工程技术研究中心
（中国粉体网编辑整理/平安）
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